[发明专利]一种基于因子图的集群卫星协同导航方法

说明书

本发明涉及一种基于因子图的集群卫星协同导航方法，步骤如下：首先获取集群卫星中各个子卫星的多传感器量测信息，而后利用因子图理论构建集群卫星协同导航的因子图框架，最终通过设计多源信息协同导航算法解算出导航信息。本发明依据现有的卫星传感器，包括惯性参考单元IRU、GPS、星间测距传感器、星敏感器和红外地平仪等，并且多传感器之间可以随意进行重组融合。本发明有效地结合了因子图理论与多源信息协同导航算法，实现了对异步多速率量测信息的处理，并快速准确地为集群卫星提供实时导航信息，可为航空航天等研究领域提供一定的技术支持。

技术领域

本发明涉及一种基于因子图的集群卫星协同导航方法，可为航空航天等研究领域提供一定的技术支持，属于航天器制导、导航与控制技术领域。

背景技术

随着卫星应用需求的发展，越来越多的航天任务已经不能仅靠单颗卫星来完成，而必须依靠多颗卫星联合工作才能完成。并且集群卫星多采用小卫星或者微纳卫星，相比较于传统的大卫星，小卫星的研发成本低、设计周期短、功能密度高。成百上千颗小卫星构成的集群灵活性高、鲁棒性高，能完成大卫星无法完成的任务。目前，卫星星座和卫星编队飞行已经被人们广泛接受，因为它们能够完成单颗卫星难以完成的任务。而导航信息对于卫星执行飞行任务具有重要的意义，如卫星的轨道控制需要确定变轨发动机点火的位置；并且集群卫星的编队控制和任务规划有一定的复杂度。因此，集群卫星的协同导航值得研究。

在航空航天领域，导航系统由多种异构传感器组成，由于各传感器系统本身和工作环境影响，多传感器数据会存在异步、多速率甚至变速率问题。组合导航系统通常在解决导航数据存在的多速率、变速率及异步问题时，需要使用内插外推法、插值法和曲线拟合法等方法进行数据对准。在集群卫星动态环境下，要实现集群编队，卫星定轨及姿态调整，这些方法在精度和实时性方面难以满足要求。此外，当导航系统受环境和任务的影响而改变组合模式时，可能导致导航数据的异步、多速率问题发生改变，对相应的数据对准方法也提出进一步的适应性要求。

现有的关于因子图导航方法的技术，王慧哲等人申请发明专利“一种基于因子图的多源导航信息融合方法”，该方法将因子图与多源信息融合算法结合起来，阐述了简单的导航算法。但其只是简单的阐述了因子图导航框架，并未具体的介绍因子图导航优化算法；另一方面，该发明未添加拓补约束因子，在数据融合过程中可能导致数据关联，并且还需导航坐标系转化，计算量大。

发明内容

为解决上述背景技术所提出的技术问题，本发明提供一种基于因子图的集群卫星协同导航方法，能够快速准确地为集群卫星提供实时导航信息，为航空航天等研究领域的活动提供技术支持。

为实现上述目的，本发明提供的一种基于因子图的集群卫星协同导航方法，包括以下步骤：

(1)设集群卫星编队有m个子卫星，每个子卫星具有n个传感器；在集群卫星运动过程中，获取多传感器的量测值集合为i＝1,2,…,m,j＝1,2,…n，其中表示第i颗卫星的第j个传感器的测量信息，所得到的多传感器量测值有m×n个；

(2)根据步骤(1)所获取的多传感器量测信息，结合因子图理论，确定集群卫星导航的状态矢量作为因子图的变量节点，确定多传感器获取的测量信息作为因子图的因子节点，并且添加拓补约束因子，构建集群卫星协同导航的因子图框架；

(3)根据步骤(2)所构建的集群卫星协同导航因子图框架，对多传感器的测量信息进行数据预处理；然后设计基于因子图的集群卫星协同导航方法，对基于因子图的集群卫星协同导航进行联合优化，最终得到单星和星间相对导航信息。

进一步的步骤(2)的实现过程如下：

(2a)根据步骤(1)中所获取的多传感器量测信息，设计导航状态集V_k＝{X_k,C_k}，和导航量测集并得到集群卫星导航的联合概率密度函数p(V_k/Z_k)；